Остановимся несколько подробнее на уране, тории и Других так называемых долгоживущих радиоактивных элементах, играющих главную роль в земной истории.
Уран и торий, относящиеся к самым тяжелым элементам, располагаются в третьем столбце периодической системы Менделеева. Оба они при обычных условиях становятся положительными четырехвалентными ионами с ионным радиусом 3 0,085 нанометра (уран) и 0,094 нанометра (торий). Поскольку ионы урана и тория несут одинаковый электрический заряд и имеют очень близкие размеры, их химические свойства чрезвычайно схожи. Следовательно, в тех породах и минералах, где высока концентрация урана, торий тоже присутствует в повышенных количествах.
Отношение содержания урана к содержанию тория остается постоянным для различных пород и минералов. Однако в сильно-окислительной среде уран дает шестивалентный ион. Этот ион образует окисел, который, будучи легкорастворимым, вымывается из горных пород. Поскольку при этом из пород выносится только уран, отношение содержания урана к содержанию тория сильно изменяется. Но все же за исключением этого случая уран и торий являются химически весьма схожими элементами.
Из-за большой валентности уран и торий включаются в состав кристаллической решетки минералов позже большинства других элементов. И наоборот, когда вулканические горные породы частично расплавляются, образуя магму, уран и торий первыми покидают кристаллическую решетку минералов, переходя в силикатный расплав (магму). Когда такая магма застывает, уран и торий входят в состав кристаллической решетки тех минералов, которые образуются на самой последней стадии процесса кристаллизации. Используя это обстоятельство, можно по типу породы оценить количество содержащихся в ней урана и тория.
Например, предсказать, что граниты, образующиеся на заключительных стадиях процесса кристаллизации, магмы, будут обогащены ураном и торием.
Откуда же берется такое количество энергии в самом обычном на первый взгляд камне?
Дело в том, что в граните, хоть и в очень небольших количествах, содержатся уран, торий и другие радиоактивные элементы. Именно они-то и являются источником этой энергии. Урана в граните обычно содержится несколько десятитысячных долей процента, тория — около одной тысячной процента.
В результате своего радиоактивного распада ядра этих элементов в конечном итоге превращаются в ядра стабильных элементов, таких, как свинец. Период полураспада урана и тория (то есть промежуток времени, за который число атомов урана и тория уменьшается вдвое) очень велик — от нескольких сот миллионов до нескольких миллиардов лет.
При радиоактивном распаде атомные ядра, разрушаясь, испускают альфа-частицы, электроны и другие частицы, обладающие высокими скоростями. Однако, несмотря на большую начальную скорость, частицы, пройдя в кристаллах минералов путь всего в несколько микрометров, останавливаются•, сталкиваясь с атомами. При этом энергия движения частиц полностью превращается в тепло, которое поглощается кристаллами минералов.